지진파를 이용한 지구내부의 연구

앞에서 P파와 S파의 전달속도가 서로 다르다는 것을 알았다. 이 두 가지 종류의 지진파는 또한 매질의 특성변화에 대한 반응도 상이하다. 지진기록에 나타난 P파와 S파의 도달시간은 그들이 통과한 경로에 따라 다르게 나타난다. 이러한 기록을 통해서 암석의 특성이 변화하는 양상과 현저하게 다른 성질을 보여주는 층과 층 사이의 경계면의 위치를 계산할 수 있다. 지진파는 우리가 직접 볼 수 없는 지각, 맨틀 그리고 핵의 특성을 조사할 수 있는 가장 정밀한 방법이다.

 

-지구내부의 층 구조와 그 성분

만약 지구내부의 성분이 균질하고 광물의 상변화가 일어나지 않는다면 P파와 S파의 속도는 깊이에 따라 매우 점진적으로 증가하는 양상을 보일 것이다. 그 이유는 지진파의 전달속도를 결정하는 두 가지 요소인 밀도와 탄성계수가 압력에 비례해서 증가하기 때문이다. 지구의 성분이 균질한 경우에는 지진파가 그 내부를 통과하는데 걸리는 시간을 간단히 계산할 수 있다. 그러나 실제 관측된 도달시간은 계산된 결과와 크게 다르게 나타난다. 이것은 지구내부에서 지진파의 속도가 점진적으로 증가하지 않는다는 것과 화학적 물리적 특성이 일정하지 않음을 잘 설명하여주는 것이다. 그림 16.7에 표시된 바와 같은 실체파의 반사파 또는 굴절파를 이용하면 지구내부의 뚜렷한 경계면(보다 일반적으로 불연속면이라고 불리는)을 쉽게 찾아낼 수 있다. 실체파를 통해서 두 가지의 주요 화학성분의 불연속면이 발견되었다. 하나는 지각과 맨틀의 경계이고 또 하나는 맨틀과 핵의 경계면이다.

 

-지각

20세기 초 유고슬라비아의 과학자 모호로비치는 지구의 내부에 지각과 맨틀의 경계면이 존재함을 보여주었다. 그는 진앙거리가 약 800km 인 관측소에서 진원심도가 40km 이내인 지진의 지진기록이 두 쌍의 P파와 S파로 나타남을 발견하였다. 모호로비치는 그 가운데 한 쌍은 지각 내부를 통과한 직접파에 해당하고 약간 빨리 도달한 다른 한 쌍은 지구내부의 일정 깊이에 존재하는 경계면에서 굴절되어 나온 파라고 결론지었다. 실제 굴절파는 지각하부에 존재하는 보다 속도가 빠른 매질 속으로 굴절되어 들어가 진행하다가 다시 굴절되어 지표로 되돌아온 파이다(그림16.20).

모호로비치는 지각과 그 하부의 물질사이에 현저한 성분의 차이를 보이는 불연속면이 존재한다는 가설을 설정하였다. 오늘날 과학자들은 이 경계면을 모호불연속면이라고 부르며 이것이 지각의 하부경계를 나타내는 지진학적 불연속면이라고 생각하고 있다. 오늘날 우리는 이것을 보통 M-불연속면 이라고도 부르며 보다 간략하게 줄여서 모호면이라고도 부른다.

그림 16.20 전파경로 천발지진에 의한 진원과 관측소 사이의 직접파와 굴절파의 전파경로

 

-지각의 두께와 성분

지진학적 방법으로 지각의 두께를 측정할 수 있다. 서로 다른 암석 내부에서의 지진파의 전달속도는 실험실에서 또는 야외현장에서 직접 측정할 수 있다. 여러 개의 지진계에 기록된 지진파의 속도가 측정되면 실험실 측정결과를 이용하여 모호면의 깊이와 지각의 성분을 계산할 수 있다. 해양분지의 하부에서는 지각의 두께는 10km이하이고 이 해양지각의 물리적 특성은 현무암의 특성과 같다. 그러나 대륙지각의 경우는 그 두께나 물리적 성질에 있어서 해양지각과 크게 다르게 나타난다. 대륙지각의 두께는 20km부터 60km의 분포를 보이며 산악지역에서 가장 두껍게 나타난다(그림16.21). 대륙지각의 지진파 속도는 해양지각과 큰 차이를 보여주며, 이는 대륙 지각이 화강암이나 섬록암과 같은 물리적 성질을 갖고 있음을 시사하여 주나 어떤 지역에서는 지진파의 전달속도가 해양지지각과 유사하게 나타나는 경우도 있다. 이러한 결과는 지질학적 조사나 심부 시추결과 드러난 지각의 성분과 잘 일치하는 것으로 나타났다. 지질학자들은 이러한 사실들을 근거로 직접적인 증거를 얻기가 어려운 맨틀의 존재에 대해 확실한 결론을 내릴 수 있게 되었다.

그림 16.21 지각의 두께 미국 하부의 지각. A. 탄성파의 속도로부터 지각의 두께가 결정되어진다. B. 측선 A-B하부의 지각 단면도(상). 지각의 두께가 시에라 네바다 산맥, 록키 산맥, 그리고 애팔래치아 산맥과 같은 주요 산악지역에서 두껍게 발달되어 있다. C. 동일 측성 상에서의 중력이상곡선. 네바다 산맥, 록키 산맥, 그리고 애팔래치아 산맥 하부에서 낮은 중력 이상을 보여주는 것은 그 하부에 밀도가 낮은 지각 물질로 이루어진 뿌리가 깊게 발달되어 있기 때문이다.

 

-맨틀

맨틀은 아직도 확실히 밝혀지지 않은 부분이 많이 남아있는 지역이다. 이 지역은 규모가 방대하고 지각에서 일어나고 있는 대부분의 현상들과 밀접한 관련을 가지고 있으나 우리가 직접 볼 수는 없는 지역이다. 지각에서 P파의 전달속도는 6-7km/초 이나 모호면 하부에서는 8km/초 이상으로 증가한다. 실험실에서 실시한 실험결과에 의하면, 화강암이나 현무암 또는 반려암 같은 지각을 구성하고 있는 암석들은 P파의 전달속도가 6-7km/초 의 범위를 보여준다. 그러나 감람석이나 휘석과 같이 보다 무거운 광물을 많이 함유하고 있는 암석에서는 8km/초 이상의 속도를 보여준다. 따라서 맨틀은 주로 감람암과 같은 암석으로 이루어진 것으로 추정되고 있다. 이러한 추정은 극히 제한적이지만 상부맨틀의 조성을 보여주는 직접적인 증거자료와도 잘 일치하고 있다. 예를 들면, 킴벌라이트 파이프에서 발견되는 맨틀 암석에서 이러한 증거가 나타나고 있는데, 가느다란 파이프 형태로 발달된 이 킴벌라이트는 맨틀 깊은 곳에서 올라와 지각을 관입하여 형성된 화성관입체로서 금강석을 함유하기도 한다(그림16.22).

그림 16.22 맨틀 깊은 곳의 표품 맨틀 깊은 곳에 있던 암석의 파면이 킴벌라이트 관입체를 따라 지표까지 올라오게 된다. A. 킴벌리에 있는 광산의 채굴 뒤에 남은 구덩이를 통해서 나타나있다. B. 금강석 결정과 마모된 맨틀물질의 파편이 포함된 킴벌라이트의 모습. 회색을 띤 기질물질은 킴벌라이트 마그마의 결정 작용에 의해서 만들어진 것이다.

 

-핵

P파와 S파의 전파경로는 약 2900km 깊이에 존재하는 매우 뚜렷한 경계면에서 강력하게 변화를 일으킨다. P파가 이 경계면에 도달하면 반사와 굴절이 강력하게 일어나 진앙의 반대편에 위치한 일정 지역의 지표면에 P파의 암영대를 형성하는데, 이 지역에서는 P파가 관찰되지 않는다(그림16.23). 지구내부 2900km 깊이에 이처럼 현저한 경계면이 존재하는데 지질학자는 이것을 맨틀과 핵의 경계면이라고 추정하고 있다. 이 경계면으로 인해서 S파는 보다 현저한 암영대를 형성한다. 그러나 이 경우에는 암영대의 발달이 반사나 굴절현상에 의한 것이 아니고 횡파(S파)가 액체 속을 통과하지 못하기 때문에 일어나는 현상이다. 따라서 대규모 S파의 암영대가 존재한다는 사실로부터 외핵이 액체상태라는 결론을 내릴 수 있다.

지진파로부터 핵의 성분을 정확히 알 수는 없으나 그 조성을 추정하는데 도움을 줄 수 있다. 실체파의 주행시간으로부터 계산된 지진파의 전달속도를 분석한 결과 맨틀의 밀도가 최상부에서는 3.3g/cm3이고 하부로 내려감에 따라 서서히 증가하여 최하부에서는 5.5g/cm3에 달하는 것으로 밝혀졌다. 전체 지구의 평균 밀도는 5.5g/cm3이다. 따라서 지각과 맨틀의 낮은 밀도를 보완하기 위해서는 핵의 밀도가 적어도 10-11g/cm3이 되어야 한다. 이러한 조건을 만족시켜주는 유일한 물질은 철이다. 이를 뒷받침 하는 증거가 운석에서 발견된다. 철질 운석은 과거 조그만 행성의 핵에서 떨어져 나온 파편일 것으로 생각되고 있다. 모든 철질운석은 약간의 니켈성분을 함유하고 있으며 지구의 핵도 마찬가지일 것으로 보인다. S파가 핵-맨틀의 경계를 투과하지 못하기 때문에 외핵은 액체 상태인 것으로 해석하고 있으며 성분은 주로 철로 되어있으나 니켈과 약간의 몇몇 다른 원소가 함유되어 있는 것으로 추정하고 있다.

그림 16.23 지진의 암영대 진앙의 위치가 0℃인 P파의 진원으로부터의 전 파 경로가 지구단면도의 오른쪽 부분에 붉은 색으로 표시되어 있다. S파의 전파경로는 왼쪽에 흑색으로 표시되어 있다. 핵과 맨틀의 경계에서 일어나는 P파의 반사와 굴절현상으로 인해서 103-143° 구간에 P파의 암영대가 형성된다. 또한 S파는 액체를 통과하지 못하므로 103-180°구간에서 암영대가 나타난다.

 

-내핵

P파의 반사파는 용융상태의 외핵 내에 고체상태의 내핵이 존재함을 시사해주고 있다 그러나 외핵과 내핵의 성분은 거의 같은 것으로 보인다. 이들이 액체와 고체의 서로 다른 상태로 나타나는 것은 철의 용융점이 압력변화에 좌우되기 때문인 것으로 해석하고 있다. 지구 중심부에서는 압력이 지표에 비해 수박만 배에 달한다. 그러나 온도는 그처럼 급격하게 상승하지 않기 때문에 압력의 효과에 의해서 내핵에서는 용융이 일어나지 않는다. 맨틀의 하부(약 2900km 깊이)에서 5350km 깊이까지는 온도와 압력이 철의 균형을 이루어 철을 용융시킬 조건이 된다. 그러나 5350km깊이에서는 액체 상태에서 고체상태의 환경으로 바뀌는 것에 해당하는 강력한 지진파의 반사와 굴절면이 나타난다. 이는 5350km에서 지구의 중심부까지는 압력상승이 온도상승보다 급격하여 철은 고체 상태에 도달하게 되고 결과적으로 고체상태의 내핵이 형성됨을 분명하게 시사하여 준다.

 

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